1.1 Derivadas elementales y reglas de derivación

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La tasa de variación media y la derivada en un punto

Una función \(f \) definida en un intervalo asocia a cada número \(x \) un valor \(f(x) \)

Para medir cómo cambia \(f \) entre dos puntos \(x_0 \) y \(x \) se utiliza la tasa de variación media.

La tasa de variación media de \(f \) entre \(x_0 \) y \(x \) es el cociente

$$TVM = \frac{f(x) - f(x_0)}{x - x_0} $$

Geométricamente, esta tasa es la pendiente de la recta secante a la gráfica que pasa por los puntos \((x_0, f(x_0)) \) y \((x, f(x)) \)

Si \(\alpha \) es el ángulo que forma la recta secante con la horizontal, entonces \(TVM = \tan \alpha \)

Cuando \(x \) se acerca a \(x_0 \), la recta secante tiende a la recta tangente a la gráfica en ese punto.

La derivada de \(f \) en \(x_0 \) es el límite de las tasas de variación media cuando \(x \) tiende a \(x_0 \):

$$f'(x_0) = \lim_{x \to x_0} \frac{f(x) - f(x_0)}{x - x_0} $$

siempre que este límite exista y sea finito.

Con el cambio de variable \(h = x - x_0 \) la definición se escribe también así:

$$f'(x_0) = \lim_{h \to 0} \frac{f(x_0 + h) - f(x_0)}{h} $$

La interpretación geométrica es la siguiente: \(f'(x_0) \) es la pendiente de la recta tangente a la gráfica de \(f \) en el punto \((x_0, f(x_0)) \)

Si \(\alpha \) es el ángulo que forma la recta tangente con la horizontal, entonces \(f'(x_0) = \tan \alpha \): la derivada en un punto es la tangente del ángulo que forma la recta tangente con la horizontal.

La ecuación de esa recta tangente es:

$$y = f(x_0) + f'(x_0)(x - x_0) $$

Se dice que \(f \) es derivable en \(x_0 \) cuando existe el número \(f'(x_0) \)

📝 Ejemplo:

Para la función \(f(x) = x^2 \), la derivada en \(x_0 = 1 \) se calcula con la definición:

$$f'(1) = \lim_{x \to 1} \frac{x^2 - 1^2}{x - 1} $$

Con el cambio \(h = x - 1 \):

$$f'(1) = \lim_{h \to 0} \frac{(1 + h)^2 - 1^2}{h} \\ = \lim_{h \to 0} \frac{2h + h^2}{h} \\ = \lim_{h \to 0} (2 + h) \\ = 2 $$

La recta tangente a la parábola en el punto \((1, 1) \) tiene pendiente \(2 \)

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La función derivada $$f'$$ y las derivadas sucesivas

Si \(f \) es derivable en todos los puntos de un intervalo \(I \), queda definida la función derivada \(f' \), que a cada \(x \) de \(I \) le asocia el número \(f'(x) \)

La derivada de la función \(f' \), cuando existe, se llama derivada segunda de \(f \) y se denota \(f'' \)

Derivando sucesivamente se obtienen la derivada tercera \(f''' \), la derivada cuarta \(f^{(4)} \) y, en general, la derivada n-ésima \(f^{(n)} \)

Si se escribe \(y = f(x) \), también se usan las notaciones \(y' \), \(y'' \), \(y''' \)

Las derivadas sucesivas miden cómo varía la propia pendiente: la segunda derivada informa de la curvatura de la gráfica.

📝 Ejemplo:

Para \(f(x) = x^3 \) se obtiene derivando término a término:

$$f'(x) = 3x^2 $$
$$f''(x) = 6x $$
$$f'''(x) = 6 $$
$$f^{(4)}(x) = 0 $$
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Derivadas de las funciones elementales

Aplicando la definición de derivada a las funciones básicas se obtiene la tabla de derivadas elementales, que es la herramienta de cálculo fundamental de todo el capítulo.

La derivada de una función constante es cero:

si \(f(x) = c \) con \(c \) constante, entonces \(f'(x) = 0 \) para todo \(x \)

Las derivadas elementales son las siguientes, válidas en el dominio que se indica en cada caso:

$$(x^n)' = n x^{n-1} $$
$$(e^x)' = e^x $$
\((a^x)' = a^x \ln a ,\ \text{con}\ a > 0 \) y \(a \ne 1 \)
$$(\ln x)' = \frac{1}{x} ,\ \text{con}\ x > 0 $$
$$(\log_a x)' = \frac{1}{x \ln a} ,\ \text{con}\ x > 0 $$
$$(\operatorname{sen} x)' = \cos x $$
$$(\cos x)' = -\operatorname{sen} x $$
$$(\tan x)' = \frac{1}{\cos^2 x} = 1 + \tan^2 x $$
$$(\operatorname{arcsen} x)' = \frac{1}{\sqrt{1 - x^2}} ,\ \text{con}\\-1 < x < 1 $$
$$(\arccos x)' = -\frac{1}{\sqrt{1 - x^2}} ,\ \text{con}\\-1 < x < 1 $$
$$(\arctan x)' = \frac{1}{1 + x^2} $$

La fórmula \((x^n)' = n x^{n-1} \) es válida en cada punto donde \(x^n \) sea derivable.

Por ejemplo, \(x^{1/2} = \sqrt{x} \) está definida para todo \(x \geq 0 \), pero su derivada solo está definida para \(x > 0 \)

📝 Ejemplo:

La función \(f(x) = \sqrt{x} = x^{1/2} \) está definida para \(x > 0 \) y su derivada es:

$$f'(x) = \frac{1}{2} x^{-1/2} = \frac{1}{2\sqrt{x}} $$
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Derivada de la suma, la diferencia y el producto por constante

📐 Teorema: (linealidad de la derivada)

Si las funciones \(f \) y \(g \) son derivables en \(x \) y \(c \) es una constante, entonces las funciones \(f + g \), \(f - g \) y \(c f \) son derivables en \(x \) y se cumple

$$(f + g)'(x) = f'(x) + g'(x) $$
$$(f - g)'(x) = f'(x) - g'(x) $$
$$(c \cdot f)'(x) = c \cdot f'(x) $$

La idea de la demostración es que el límite de una suma es la suma de los límites: al formar el cociente incremental de \(f + g \) se separa en la suma de los dos cocientes incrementales.

En la práctica, estas reglas permiten derivar cualquier polinomio término a término.

📝 Ejemplo:

Para \(f(x) = 3x^2 - 5x + 7 \):

$$f'(x) = 3 \cdot 2x - 5 \cdot 1 + 0 = 6x - 5 $$
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Derivada del producto y del cociente

📐 Teorema: (derivada del producto)

Si \(f \) y \(g \) son derivables en \(x \), entonces el producto \(f \cdot g \) es derivable en \(x \) y

$$(f \cdot g)'(x) = f'(x) \cdot g(x) + f(x) \cdot g'(x) $$
📐 Teorema: (derivada del cociente)

Si \(f \) y \(g \) son derivables en \(x \) y \(g(x) \ne 0 \), entonces el cociente \(f / g \) es derivable en \(x \) y

$$\left(\frac{f}{g}\right)'(x) = \frac{f'(x) \cdot g(x) - f(x) \cdot g'(x)}{[g(x)]^2} $$

Obsérvese el orden en el numerador del cociente: primero la derivada del numerador por el denominador sin derivar, menos el numerador sin derivar por la derivada del denominador.

📝 Ejemplo:

Para \(f(x) = x^2 \operatorname{sen} x \) se aplica la regla del producto:

$$f'(x) = 2x \cdot \operatorname{sen} x + x^2 \cdot \cos x $$
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La regla de la cadena

Dadas dos funciones \(f \) y \(g \), la función compuesta \(g \circ f \) se define mediante \((g \circ f)(x) = g(f(x)) \): primero actúa \(f \) y después \(g \) sobre el resultado.

📐 Teorema: (regla de la cadena)

Si \(f \) es derivable en \(x \) y \(g \) es derivable en el punto \(f(x) \), entonces la compuesta \(g \circ f \) es derivable en \(x \) y

$$(g \circ f)'(x) = g'(f(x)) \cdot f'(x) $$

La regla práctica es: se deriva la función exterior evaluada en la interior y se multiplica por la derivada de la interior.

Combinada con la tabla del apartado 3, la regla de la cadena da las derivadas de las funciones elementales compuestas:

$$\left(e^{f(x)}\right)' = e^{f(x)} \cdot f'(x) $$
$$(\ln f(x))' = \frac{f'(x)}{f(x)} $$
$$\left([f(x)]^n\right)' = n \cdot [f(x)]^{n-1} \cdot f'(x) $$
$$(\operatorname{sen} f(x))' = f'(x) \cdot \cos(f(x)) $$
$$(\cos f(x))' = -f'(x) \cdot \operatorname{sen}(f(x)) $$

El proceso puede iterarse: una composición triple se deriva aplicando la regla dos veces, de fuera hacia dentro.

📝 Ejemplo:

En \(f(x) = \operatorname{sen}(x^2) \) la función exterior es el seno y la interior es \(x^2 \):

$$f'(x) = \cos(x^2) \cdot 2x = 2x \cos(x^2) $$
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Derivabilidad y continuidad

📐 Teorema: (la derivabilidad implica la continuidad)

Si \(f \) es derivable en \(x_0 \), entonces \(f \) es continua en \(x_0 \)

La idea de la demostración es escribir, para \(x \ne x_0 \),

$$f(x) - f(x_0) = \frac{f(x) - f(x_0)}{x - x_0} \cdot (x - x_0) $$

Al tomar límite cuando \(x \to x_0 \), el primer factor tiende a \(f'(x_0) \) y el segundo tiende a \(0 \), luego \(f(x) - f(x_0) \to 0 \), es decir, \(f \) es continua en \(x_0 \)

El recíproco es falso: una función puede ser continua en un punto sin ser derivable en él.

Las derivadas laterales en \(x_0 \) se definen con límites laterales:

$$f'_-(x_0) = \lim_{h \to 0^-} \frac{f(x_0 + h) - f(x_0)}{h} $$
$$f'_+(x_0) = \lim_{h \to 0^+} \frac{f(x_0 + h) - f(x_0)}{h} $$

Una función es derivable en \(x_0 \) si y solo si existen las dos derivadas laterales y coinciden.

Si las derivadas laterales existen pero son distintas, la gráfica presenta un punto anguloso (un pico).

📝 Ejemplo:

La función \(f(x) = |x| \) es continua en \(0 \), pero sus derivadas laterales son:

$$f'_-(0) = -1 $$
$$f'_+(0) = 1 $$

Como no coinciden, \(f \) no es derivable en \(0 \)

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La diferencial

Si \(f \) es derivable en \(x \), la diferencial de \(f \) en \(x \) es la aplicación lineal que a cada incremento \(h \) le asigna el número \(f'(x) \cdot h \):

$$df_x(h) = f'(x) \cdot h $$

Con la notación habitual \(dy \) para el incremento de la variable dependiente y \(dx \) para el incremento de la variable independiente (es decir, \(dx = h \)), la diferencial se escribe

$$dy = f'(x)\,dx $$

La diferencial proporciona la aproximación lineal del incremento real de la función:

si \(\Delta y = f(x+h) - f(x) \) es el incremento exacto al pasar de \(x \) a \(x+h \), entonces

\(\Delta y = f'(x)h + o(h) \),

de modo que el error cometido al sustituir \(\Delta y \) por la diferencial \(dy = f'(x)h \) tiende a cero más rápido que \(h \). Geométricamente, la diferencial es el incremento medido sobre la recta tangente a la gráfica en el punto \((x, f(x)) \), mientras que \(\Delta y \) es el incremento medido sobre la propia curva.

Dividiendo por \(y = f(x) \) (supuesto no nulo) se aproxima la variación relativa:

$$\frac{\Delta y}{y} \approx \frac{dy}{y} = \frac{f'(x)}{f(x)}\,dx $$

Como \(\frac{f'(x)}{f(x)} \) es la derivada de \(\ln|f(x)| \), la variación relativa se aproxima por la diferencial logarítmica \(d(\ln|f(x)|) \). En la práctica, esta aproximación sirve para estimar errores relativos: un pequeño error relativo \(dx/x \) en la medida de \(x \) produce en \(f(x) \) un error relativo aproximadamente igual a \(\frac{f'(x)}{f(x)}\,dx \)

📝 Ejemplo:

Aproximar \(\sqrt{4,02} \) mediante la diferencial de \(f(x) = \sqrt{x} \) en \(x = 4 \) tomando \(h = 0,02 \)

Se tiene \(f(4) = \sqrt{4} = 2 \) y, por la tabla de derivadas, \(f'(x) = \frac{1}{2\sqrt{x}} \), luego \(f'(4) = \frac{1}{2\sqrt{4}} = \frac{1}{4} \)

La diferencial en \(x = 4 \) para el incremento \(h = 0,02 \) vale

$$dy = f'(4) \cdot h = \frac{1}{4} \cdot 0,02 = 0,005 $$

Por tanto

$$\sqrt{4,02} = f(4 + 0,02) \approx f(4) + dy = 2 + 0,005 = 2,005 $$

(Comprobación: \(2,005^2 = 4,020025 \), muy próximo a \(4,02 \).)

📝 Ejemplo 1:

Calcular, aplicando la definición de derivada, la derivada de la función \(f(x) = \sqrt{x} \) en un punto \(x > 0 \) arbitrario.

Explicación: Como se pide usar la definición, se forma el cociente incremental y se calcula su límite cuando \(h \to 0 \). La indeterminación que aparece se resuelve multiplicando numerador y denominador por la expresión conjugada.

👉 PASO 1

Se escribe el cociente incremental de \(f \) en \(x \)

$$\frac{f(x + h) - f(x)}{h} = \frac{\sqrt{x + h} - \sqrt{x}}{h} $$
👉 PASO 2

Se multiplica el numerador y el denominador por el conjugado \(\sqrt{x + h} + \sqrt{x} \)

$$\frac{\sqrt{x + h} - \sqrt{x}}{h} \cdot \frac{\sqrt{x + h} + \sqrt{x}}{\sqrt{x + h} + \sqrt{x}} = \frac{(x + h) - x}{h\left(\sqrt{x + h} + \sqrt{x}\right)} $$
$$= \frac{h}{h\left(\sqrt{x + h} + \sqrt{x}\right)} = \frac{1}{\sqrt{x + h} + \sqrt{x}} $$
👉 PASO 3

Se toma el límite cuando \(h \to 0 \)

$$f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{1}{\sqrt{x + h} + \sqrt{x}} = \frac{1}{\sqrt{x} + \sqrt{x}} = \frac{1}{2\sqrt{x}} $$

Conclusión: La función raíz cuadrada es derivable en todo \(x > 0 \) y su derivada es \(f'(x) = \frac{1}{2\sqrt{x}} \), en coherencia con la tabla de derivadas elementales.

📝 Ejemplo 2:

Calcular la derivada de la función \(f(x) = x^x \) definida para \(x > 0 \)

Explicación: Ninguna regla directa se aplica a una potencia donde la base y el exponente dependen de \(x \). Como \(f(x) > 0 \), se puede tomar logaritmos neperianos en ambos miembros: la composición con el logaritmo convierte la potencia en un producto, que sí se sabe derivar.

Esta técnica se llama derivación logarítmica.

👉 PASO 1

Se aplica el logaritmo neperiano a ambos miembros y se usa la propiedad \(\ln(a^b) = b \ln a \)

$$\ln(f(x)) = \ln(x^x) = x \ln x $$
👉 PASO 2

Se deriva en ambos miembros respecto de \(x \). En el primer miembro se usa la regla de la cadena con la función exterior \(\ln \); en

el segundo, la regla del producto.

$$\frac{f'(x)}{f(x)} = 1 \cdot \ln x + x \cdot \frac{1}{x} = \ln x + 1 $$
👉 PASO 3

Se despeja \(f'(x) \) multiplicando por \(f(x) = x^x \)

$$f'(x) = x^x (\ln x + 1) $$

Conclusión: La función \(f(x) = x^x \) es derivable en \((0, +\infty) \) y su derivada es \(f'(x) = x^x(\ln x + 1) \)

📝 Ejemplo 3:

Estudiar la derivabilidad en todo \(\mathbb{R} \) de la función definida por $$f(x) = x^2 \operatorname{sen}\left(\frac{1}{x}\right) $$ si \(x \ne 0 \), e \(f(0) = 0 \)

Explicación:

Para \(x \ne 0 \) la función es combinación de funciones elementales y se deriva con las reglas.

En \(x = 0 \) la definición es especial (un valor aislado), así que las reglas no son aplicables y hay que volver a la definición de derivada.

👉 PASO 1

Derivada para \(x \ne 0 \), con la regla del producto y la regla de la cadena.

$$f'(x) = 2x \operatorname{sen}\left(\frac{1}{x}\right) + x^2 \cos\left(\frac{1}{x}\right) \cdot \left(-\frac{1}{x^2}\right) $$
$$= 2x \operatorname{sen}\left(\frac{1}{x}\right) - \cos\left(\frac{1}{x}\right) $$
👉 PASO 2

Derivada en \(x = 0 \) por definición.

$$f'(0) = \lim_{h \to 0} \frac{f(0 + h) - f(0)}{h} = \lim_{h \to 0} \frac{h^2 \operatorname{sen}(1/h)}{h} = \lim_{h \to 0} h \operatorname{sen}\left(\frac{1}{h}\right) $$

Como $$\left|h \operatorname{sen}(1/h)\right| \le |h| $$ y \(|h| \to 0 \), por el teorema del encaje el límite es \(0 \)

Luego \(f'(0) = 0 \)

Conclusión: La función es derivable en todo \(\mathbb{R} \). Obsérvese que la derivada \(f' \) no es continua en \(0 \), porque \(\cos(1/x) \) oscila sin tender a ningún límite: la derivabilidad no implica que la derivada sea continua.